Для корня: проверьте смену знака для бисекции или вычислите f и f′ для метода Ньютона и сохраняйте шесть и более цифр в таблице итераций.
Для значения из таблицы: интерполируйте линейно между двумя соседними точками.
Для интеграла: найдите h = (b − a)/n, выпишите f в каждом узле, примените веса (1, 2, …, 2, 1 для трапеций; 1, 4, 2, …, 4, 1 для Симпсона при чётном n) и умножьте на h/2 или h/3.
Для ОДУ: идите от t₀ по формуле yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (Эйлер) или по усреднённому наклону (Хойн), по одной строке на шаг, пока не дойдёте до нужного t.
2Тренировочные задачи
1.Дифференциальные уравненияСредняя
Решите y″ + 6y′ + 5y = 0 при y(0) = 5 и y′(0) = 2. Найдите y(2).
y″ + 6y′ + 5y = 0y(0) = 5y′(0) = 2
y(2) =
2.Дифференциальные уравненияСложная
Система подчиняется уравнению y″ + 2y′ + 26y = 52 при t ≥ 0, начиная из состояния покоя: y(0) = 0, y′(0) = 0. Найдите максимальное значение ymax её переходной характеристики.
y″ + 2y′ + 26y = 52y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.ИнтегралыСредняя
Вычислите I = ∫02 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 2]
I =
4.ИнтегралыСложная
Область между прямой y = 3x и параболой y = 3x² вращается вокруг оси x. Найдите объём V полученного тела.
y = 3xy = 3x²
V =
5.ПроизводныеСредняя
Пусть f(x) = ln(2x2 + 4). Найдите f′(−1).
f(x) = ln(2x2 + 4)x = −1
f′(−1) =
6.ПроизводныеСложная
Касательная к f(x) = −x2 − 3x − 5 в точке x = 1 пересекает ось y в точке y = b. Найдите b.
f(x) = −x2 − 3x − 5x = 1
b =
7.Численные методыСредняя
Приблизьте ∫02 1/(1 + x³) dx методом трапеций с n = 6 полосами. Укажите T.
f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 2]n = 6
T =
8.Численные методыСложная
Используйте метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) с h = 0,1 для y′ = t² + y², y(0) = 0,5, чтобы оценить y2 ≈ y(0,2).
y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,1
y2 =
3Растворы
1.Дифференциальные уравнения
Ответ: y(2) = 0,9134
Линейные уравнения второго порядка: для y″ + b·y′ + c·y = 0 ищите решение в виде y = ert: это даёт характеристическое уравнение r² + b·r + c = 0. Два различных вещественных корня r₁ ≠ r₂ дают y = A·er₁t + B·er₂t (апериодический режим, передемпфированный); двойной корень r даёт y = (A + Bt)·ert (критическое затухание); комплексные корни −α ± jω дают y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (колебательный режим, недодемпфированный). Начальные значения y(0) и y′(0) определяют A и B. В записи y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — собственная частота, а ζ — коэффициент демпфирования: при ζ < 1 возникают колебания. При постоянном входе y″ + by′ + cy = c·K решение равно установившемуся значению K плюс свободный отклик.
Характеристические корни
(r + 1)(r + 5) = 0 → r = −1, −5
Константы по начальным значениям
A + B = 5, −1A − 5B = 2
A = 6,75, B = −1,75
Вычислите
y(2) = 6,75·e−2 + (−1,75)·e−10 = 0,9134
Ответ
y(2) = 0,9134
2.Дифференциальные уравнения
Ответ: ymax = 3,067
Линейные уравнения второго порядка: для y″ + b·y′ + c·y = 0 ищите решение в виде y = ert: это даёт характеристическое уравнение r² + b·r + c = 0. Два различных вещественных корня r₁ ≠ r₂ дают y = A·er₁t + B·er₂t (апериодический режим, передемпфированный); двойной корень r даёт y = (A + Bt)·ert (критическое затухание); комплексные корни −α ± jω дают y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (колебательный режим, недодемпфированный). Начальные значения y(0) и y′(0) определяют A и B. В записи y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — собственная частота, а ζ — коэффициент демпфирования: при ζ < 1 возникают колебания. При постоянном входе y″ + by′ + cy = c·K решение равно установившемуся значению K плюс свободный отклик.
Установившееся значение и корни
yss = 2, r = −1 ± 5j
Константы по начальным значениям
y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1A + 5B = 0 → B = −0,4
Максимум
t = π/5 = 0,6283
ymax = 2·(1 + e−1·π/5) = 3,067
Ответ
ymax = 3,067
3.Интегралы
Ответ: I = 156
Определённые интегралы: ∫ₐᵇ f(x) dx — это площадь со знаком между графиком и осью x от a до b. Найдите первообразную F (F′ = f) и вычислите F(b) − F(a). Степенное правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площадь между двумя кривыми — ∫(верхняя − нижняя) dx.
Замена переменной
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫15 u3 du
Проинтегрируйте и подставьте пределы
I = [u4/4]15 = (625 − 1)/4 = 156
Ответ
I = 156
4.Интегралы
Ответ: V = 3,77
Объёмы тел вращения: вращение области под y = f(x) от x = a до x = b вокруг оси x даёт тело, сечение которого при x — круг радиуса f(x). Суммирование кругов даёт V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. Когда область лежит между внешней кривой R(x) и внутренней кривой r(x), каждый слой — кольцо (шайба): V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. Возводите радиусы в квадрат до вычитания.
Точки пересечения
3x = 3x² → x = 0, x = 1
Метод колец (шайб)
V = π∫₀1 ((3x)² − (3x²)²) dx
Интегрируйте
V = π(9·1³/3 − 9·1⁵/5) = π·1,2 = 3,77
Ответ
V = 3,77
5.Производные
Ответ: f′(−1) = −0,6667
Дифференцирование: производная f′(x) — это наклон графика в точке x. Степенное правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило произведения: (uv)′ = u′v + uv′. Цепное правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Где f′(x) = 0, у графика горизонтальная касательная: максимум, минимум или седловая точка.
Цепное правило для логарифма
f′(x) = 4x/(2x2 + 4)
Подставьте
f′(−1) = −4/6 = −0,6667
Ответ
f′(−1) = −0,6667
6.Производные
Ответ: b = −4
Дифференцирование: производная f′(x) — это наклон графика в точке x. Степенное правило: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. Правило произведения: (uv)′ = u′v + uv′. Цепное правило: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). Где f′(x) = 0, у графика горизонтальная касательная: максимум, минимум или седловая точка.
Точка и наклон
f(1) = −9
f′(x) = −2x − 3 → f′(1) = −5
Касательная при x = 0
b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = −9 − (−5)·1 = −4
Ответ
b = −4
7.Численные методы
Ответ: T = 1,089
Численное интегрирование: разделите [a, b] на n полос шириной h = (b − a)/n с узлами x₀ … xₙ. Метод трапеций: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. Метод Симпсона (n чётное): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. Погрешность метода трапеций убывает как h² (оценка (b − a)h²·M/12, где M = max|f″|), метода Симпсона — как h⁴, поэтому при тех же узлах метод Симпсона обычно намного точнее.
У этого интеграла нет элементарной первообразной, и именно в таких случаях нужен численный метод.
8.Численные методы
Ответ: y2 = 0,5586
Численное решение y′ = f(t, y): метод Эйлера идёт по наклону в начале каждого шага: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). Метод Хойна (улучшенный метод Эйлера) усредняет наклон в начале и в точке, предсказанной методом Эйлера: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). Классический метод Рунге–Кутты (RK4) объединяет четыре наклона: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). Глобальная погрешность метода Эйлера пропорциональна h, метода Хойна — h², метода RK4 — h⁴.